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汽車安全帶工作原理

2019-01-25 10:01:10·  來源：汽車碰撞安全仿真在線  
　
預(yù)緊限力式安全帶卷收器的基本組成和工作過程本文以常見的預(yù)緊限力式安全帶為例，介紹安全帶工作過程。安全帶卷收器主要組成部分為：框架、芯軸、鎖止機(jī)構(gòu)、回收
預(yù)緊限力式安全帶卷收器的基本組成和工作過程
 
本文以常見的預(yù)緊限力式安全帶為例，介紹安全帶工作過程。安全帶卷收器主要組成部分為：框架、芯軸、鎖止機(jī)構(gòu)、回收機(jī)構(gòu)、預(yù)緊器、限力機(jī)構(gòu)。其中，框架主要作用為支撐卷收器整體結(jié)構(gòu)，保證連接強(qiáng)度，固定其他零件；芯軸的主要作用為纏繞織帶，傳遞扭矩；鎖止機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)在車輛有水平方向加速度時(shí)以及織帶拉出加速度達(dá)到一定值時(shí)將芯軸和的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鎖止在框架上；回收機(jī)構(gòu)在未發(fā)生碰撞時(shí)負(fù)責(zé)輕緩地回卷芯軸用來收回松弛的織帶；在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，預(yù)緊器會(huì)在收到電信號(hào)后通過芯軸將織帶快速收回一段長(zhǎng)度；而限力機(jī)構(gòu)在織帶收到極高的外載荷時(shí)限制織帶拉出力的大小。
 
在常見的正面碰撞工況中，主要的性能部件為預(yù)緊器和限力機(jī)構(gòu)。
 
在碰撞發(fā)生的若干毫秒之后，車輛的ECU會(huì)向安全帶卷收器發(fā)出電壓信號(hào)，以觸發(fā)卷收器的預(yù)緊動(dòng)作。預(yù)緊器會(huì)在10ms左右的短暫時(shí)間內(nèi)，將安全帶織帶快速往回收，回收的長(zhǎng)度依外部載荷的大小而不同，通?？梢允栈?~120mm不等。當(dāng)前普遍采用的預(yù)緊器為使用焰火式氣體發(fā)生器燃燒生成大量氣體，通過活塞推動(dòng)一組機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)安全帶回收，預(yù)緊器的拉力會(huì)隨著活塞內(nèi)氣體的生成和排出，表現(xiàn)為先上升后下降的形態(tài)。
 
在碰撞過程中，隨著車身加速度大小的逐漸增加，約束乘員的安全帶載荷也會(huì)逐漸升高，直到上升的載荷大于預(yù)緊器的回收力后，預(yù)緊器會(huì)停止回收織帶。載荷不斷上升，織帶會(huì)被往外拉出，帶有限力機(jī)構(gòu)的卷收器，會(huì)將通過限力軸的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩來提供織帶往外拉出的阻力，以達(dá)到織帶拉力不再上升，而且以一個(gè)較平穩(wěn)的力值釋放織帶的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這樣的限力可以限制對(duì)乘員的胸腔肋骨的傷害。
圖一 預(yù)緊限力式安全帶卷收器工作過程示意
 
圖一描述了預(yù)緊限力式安全帶卷收器在正面碰撞過程中的動(dòng)作順序。安全帶卷收器最直接的表現(xiàn)結(jié)果就是卷收器出口處的織帶張力，而作用在乘員身上的則是肩帶力，肩帶力一般是出口力繞過導(dǎo)向環(huán)后的表現(xiàn)，其特征相對(duì)于出口力又有一些不同，不同的因素主要是由于導(dǎo)向環(huán)的摩擦力方向不同所產(chǎn)生的。
 
根據(jù)卷收器工作狀態(tài)不同，安全帶的出口力和肩帶力有如下特征：
1、預(yù)緊階段： 兩者同時(shí)上升， 出口力大于肩帶力；
2、鎖止階段：出口力下沉然后再次上升，肩帶力則持續(xù)上升，開始超過出口力；
3、限力階段： 兩者同時(shí)進(jìn)入平臺(tái)， 肩帶力大于出口力。
 
預(yù)緊和鎖止階段的力值大小和持續(xù)時(shí)間等，與安全帶收到的載荷密切相關(guān)。 若載荷較小，則預(yù)緊階段的安全帶力也會(huì)較小，同時(shí)織帶回收量會(huì)變得較大。 反之亦然。
 
預(yù)緊限力式卷收器仿真模型
 
為了盡可能還原卷收器響應(yīng)外載荷的情況，在仿真模型建模前，需理清預(yù)緊限力式安全帶卷收器的傳力關(guān)系，預(yù)緊限力式安全帶卷收器的碰撞工況下最簡(jiǎn)模型如圖二所描述：
圖二 預(yù)緊限力式安全帶卷收器等效直線運(yùn)動(dòng)基本結(jié)構(gòu)
 
圖二中，為了在仿真模型中實(shí)現(xiàn)建模，將卷收器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等效成了直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)預(yù)緊器點(diǎn)爆后，預(yù)緊器的活塞推動(dòng)芯軸連帶著鎖止機(jī)構(gòu)和限力機(jī)構(gòu)以及織帶向左運(yùn)動(dòng)；隨著預(yù)緊器內(nèi)氣體逐漸減少、安全帶外載荷逐漸上升，從小與預(yù)緊力逐漸增大至大于預(yù)緊力，一旦開始反向運(yùn)動(dòng)后，鎖止機(jī)構(gòu)會(huì)與框架連接固定，織帶拉著芯軸向右側(cè)移動(dòng)，伴隨著限力機(jī)構(gòu)起作用；在反推過程中，預(yù)緊器也與芯軸發(fā)生脫離，不會(huì)阻礙芯軸繼續(xù)往右側(cè)運(yùn)動(dòng)。
 
在傳統(tǒng)的仿真建模方式中，可能會(huì)采用力-時(shí)間的函數(shù)或者力-位移的剛度特性來表述預(yù)緊器的出力特征，其缺點(diǎn)也是顯而易見的，預(yù)緊力無法響應(yīng)載荷的變化，不具有預(yù)測(cè)性。另外，也常用一條直線，或者試驗(yàn)測(cè)量的曲線表征限力機(jī)構(gòu)的剛度特性，其實(shí)無法在織帶剩余量變化后預(yù)測(cè)限力值相應(yīng)的變化。 
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